ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД Российский патент 2004 года по МПК H03M1/64 

Изобретение относится к области вычислительной техники в частности, к преобразователям угла поворота вала в код, и может быть использовано в системах обработки данных.

Известен преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный трансформаторный датчик, селектор октантов, суммирующие масштабные усилители, линейные множительные устройства, суммирующий блок, масштабные устройства, компаратор, регистр и блок управления (см. а.с. СССР № 416717, кл. G 08 C 9/00, 1972 г.).

Недостатком преобразователя является его сложность, низкое быстродействие и невысокая точность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь угла поворота вала в код, принятый за прототип и содержащий (см. а.с. СССР № 1105920, кл. G 08 C 9/00, 1984 г.) синусно-косинусный датчик угла, вход которого соединен с источником опорного напряжения, один выход синусно-косинусного датчика угла подключен к аналоговому входу первого блока умножения, а другой через первый ключ и через последовательно соединенные инвертирующий усилитель и второй ключ подключен к аналоговому входу второго блока умножения, выходы первого и второго блоков умножения подключены ко входам компаратора, выход которого подключен к одному из входов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к одному из входов регистра последовательного приближения, вход блока формирования пачки импульсов соединен с источником опорного напряжения, а выход подключен к другому входу регистра последовательного приближения, один выход которого подключен к другому входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к управляющему входу первого ключа непосредственно и через инвертор - к управляющему входу второго ключа, а выходы разрядов регистра последовательного приближения подключены ко входам блока синусно-косинусного преобразования кода, первый и второй выходы которого подключены к цифровым входам первого и второго блоков умножения соответственно.

Недостатком преобразователя является низкая точность, обусловленная использованием в его составе большого количества аналоговых и цифроаналоговых элементов, имеющих, как правило, низкие (невысокие) точностные параметры (напряжение смещения нуля, температурный дрейф, коэффициент передачи, дифференциальная нелинейность, чувствительность, сопротивление открытого канала и т.п.).

Цель изобретения - повышение точностных характеристик преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный датчик угла, вход которого соединен с источником опорного напряжения, первый и второй блоки умножения, выходы которых подключены ко входам компаратора, выход которого подключен к одному из входов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к одному из входов регистра последовательного приближения, вход блока формирования пачки импульсов соединен с источником опорного напряжения, а выход подключен к другому входу регистра последовательного приближения, один выход которого подключен к другому входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к управляющему входу первого ключа непосредственно и через инвертор - к управляющему входу второго ключа, вход которого подключен к выходу инвертирующего усилителя, выходы первого и второго ключей объединены и подключены к аналоговому входу второго блока умножения, выходы разрядов регистра последовательного приближения подключены ко входам блока синусно-косинусного преобразования кода, первый и второй выходы которого подключены к цифровым входам первого и второго блоков умножения соответственно, введены пороговый элемент, триггер, первый и второй переключатели, первый и второй элементы И, первый и второй регистры, сумматор, блок формирования эталонного кода, блок вычитания, блок деления на два и арифметическое устройство, причем вход порогового элемента подключен к источнику опорного напряжения, а выход подключен к счетному входу триггера, прямой выход которого подключен к управляющим входам первого и второго переключателей и к одному из входов первого элемента И, а инверсный выход - к одному из входов второго элемента И, первый вход первого переключателя соединен со вторым входом второго переключателя и подключен к первому выходу синусно-косинусного датчика угла, второй вход первого переключателя соединен с первым входом второго переключателя и подключен ко второму выходу синусно-косинусного датчика угла, выход первого переключателя подключен к аналоговому входу первого блока умножения, а выход второго переключателя подключен ко входу первого ключа и ко входу инвертирующего усилителя, другой выход регистра последовательного приближения подключен к другим входам первого и второго элементов И, выход первого из которых подключен ко входу записи первого регистра, а выход второго - ко входу записи второго регистра, информационные входы первого и второго регистров объединены и подключены к выходам разрядов регистра последовательного приближения, выходы первого регистра подключены к первым информационным входам арифметического устройства и сумматора, вторые информационные входы которого подключены к выходам второго регистра, а выходы подключены к первым информационным входам блока вычитания, вторые информационные входы которого подключены к выходам блока формирования эталонного кода, а выходы через блок деления на два подключены ко вторым информационным входам арифметического устройства, управляющий вход которого подключен к управляющему выходу блока вычитания, а выходы являются выходами преобразователя.

Структурная схема преобразователя угла поворота вала в код представлена на чертеже.

Преобразователь угла поворота вала в код содержит синусно-косинусный датчик угла 1, источник 2 опорного напряжения, блок 3 формирования пачки импульсов, пороговый элемент 4, триггер 5, первый 6 и второй 7 переключатели, первый 8 и второй 11 ключи, инвертирующий усилитель 9, инвертор 10, первый 12 и второй 13 блоки умножения, компаратор 14, блок 15 синусно-косинусного преобразования кода, регистр 16 последовательного приближения, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, первый 18 и второй 19 элементы И, первый 20 и второй 21 регистры, сумматор 22, блок 23 вычитания, блок 24 формирования эталонного кода, блок 25 деления на два и арифметическое устройство 26.

Вход синусно-косинусного датчика угла 1 объединен со входами блока 3 формирования пачки импульсов и порогового элемента 4 и соединен с источником 2 опорного напряжения, первый выход синусно-косинусного датчика угла 1 соединен с первым входом первого переключателя 6 и со вторым входом второго переключателя , а второй выход синусно-косинусного датчика угла 1 соединен со вторым входом первого переключателя 6 с первым входом второго переключателя 7, выход первого переключателя 6 соединен с аналоговым входом первого блока 12 умножения, выход второго переключателя 7 соединен со входом первого ключа 8 и со входом инвертирующего усилителя 9, выход инвертирующего усилителя 9 соединен со входом второго ключа 11, выходы первого 8 и второго 11 ключей объединены и соединены с аналоговым входом второго блока 13 умножения, выходы первого 12 и второго 13 блоков умножения соединены со входами компаратора 14, выход компаратора 14 соединен с первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 соединен с первым входом регистра 16 последовательного приближения, выходы разрядов регистра 16 последовательного приближения соединены с информационными входами первого 20 и второго 21 регистров и со входами блока 15 синусно-косинусного преобразования кода, первый и второй выходы блока 15 синусно-косинусного преобразования кода соединены с цифровыми входами первого 12 и второго 13 блоков умножения соответственно, выход блока 3 формирования пачки импульсов соединен со вторым входом регистра 16 последовательного приближения, первый выход регистра 16 последовательного приближения соединен со вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, с управляющим входом первого ключа 8 и со входом инвертора 10, выход инвертора 10 соединен с управляющим входом второго ключа 11, второй выход регистра 16 последовательного приближения соединен с первыми входами первого 18 и второго 19 элементов И, выход порогового элемента 4 соединен со счетным входом триггера 5, прямой выход триггера 5 соединен с управляющими входами первого 6 и второго 7 переключателей и со вторым входом первого элемента И 18, инверсный выход триггера 5 соединен со вторым входом второго элемента И 19, выходы первого 18 и второго 19 элементов И соединены со входами записи первого 20 и второго 21 регистров соответственно, выходы первого регистра соединены с первыми информационными входами сумматора 22 и арифметического устройства 26, выходы второго регистра соединены со вторыми информационными входами сумматора 22, выходы сумматора 22 соединены с первыми информационными входами блока 23 вычитания, выходы блока 24 формирования эталонного кода соединены со вторыми информационными входами блока 23 вычитания, выходы блока 23 вычитания через блок 25 деления на два соединены со вторыми информационными входами арифметического устройства 26, управляющий выход блока 23 вычитания соединен с управляющим входом арифметического устройства 26, выходы арифметического устройства 26 являются выходами преобразователя.

Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом.

При повороте вала синусно-косинусного датчика угла 1 на некоторый угол α_i в его выходных обмотках вырабатываются напряжения, амплитуда которых пропорциональна синусу и косинусу угла поворота вала.

По сигналу опорного напряжения ~U_оп источника 2 блок 3 формирования пачки импульсов вырабатывает последовательность тактовых импульсов, по которым происходит поочередное (начиная со старшего) переключение разрядов регистра 16 последовательного приближения, а также пороговый элемент 4 вырабатывает последовательность опорных импульсов, равных по длительности полупериоду опорного напряжения ~U_оп, по заднему фронту каждого из которых происходит переключение триггера 5, на прямом и инверсном выходах которого будут сформированы противоположные по фазе последовательности импульсов, равные по длительности периоду опорного напряжения ~U_оп.

В первый момент времени, когда триггер 5 находится в состоянии "01", первый переключатель 6 подключает к аналоговому входу первого блока 12 умножения напряжение от синусно-косинусного датчика угла 1, пропорциональное U_sinαi, а второй переключатель 7 подключает к аналоговому входу второго блока 13 умножения (либо через первый ключ 8, либо через инвертирующий усилитель 9 и второй ключ 11) напряжение от синусно-косинусного датчика угла 1, пропорциональное U_cosαi, а во второй момент времени, когда триггер 5 находится в состоянии "10", первый переключатель 6 подключает к аналоговому входу первого 12 блока умножения напряжение, пропорциональное U_cosαi, от синусно-косинусного датчика угла 1, а второй переключатель 7 подключает к аналоговому входу второго блока 13 умножения (либо через первый ключ 8, либо через инвертирующий усилитель 9 и второй ключ 11) напряжение, пропорциональное U_sinαi, от синусно-косинусного датчика угла 1.

И в первом и во втором случаях в первых двух тактах преобразования определяется квадрант, в котором находится кодируемый угол, а в последующих тактах преобразования определяется непосредственно значение кодируемого угла.

Определение квадранта кодируемого угла происходит следующим образом.

По первому тактовому импульсу блока 3 формирования пачки импульсов старший разряд (α=180°) регистра 16 последовательного приближения устанавливается в состояние, соответствующее уровню "лог.1", а его инверсный выход, который непосредственно соединен с одним из входов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, устанавливается в состояние, соответствующее уровню "лог.0". В этом случае напряжение, пропорциональное U_sinαi, от синусно-косинусного датчика угла 1 через первый переключатель 6 и первый блок 12 умножения подключается к инвертирующему входу компаратора 14, на неинвертирующий вход которого через второй блок 13 умножения подается нулевой потенциал. Если при сравнении синусное напряжение имеет прямую фазу, компаратор 14 вырабатывает сигнал, соответствующий уровню "лог.0", и в старший разряд (α=180°) регистра 16 последовательного приближения через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 записывается нулевое значение, а если при при сравнении синусное напряжение имеет обратную фазу, компаратор 14 вырабатывает сигнал, соответствующий уровню "лог.1", и в старший разряд (α=180°) регистра 16 последовательного приближения через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 записывается единичное значение.

Если в старшем разряде (α=180°) регистра 16 последовательного приближения записано нулевое значение, то по сигналу с инверсного выхода старшего разряда регистра 16 последовательного приближения, соответствующего уровню "лог.1", первый ключ 8 открывается, а второй ключ 11 закрывается по сигналу управления с выхода инвертора 10, соответствующего уровню "лог.0". В этом случае напряжение, пропорциональное U_cosαi, от синусно-косинусного датчика угла 1 через второй переключатель 7, первый ключ 8 и второй блок 13 умножения подключается к неинвертирующему входу компаратора 14, на инвертирующий вход которого через первый блок 12 умножения подается нулевой потенциал. Если при сравнении во втором такте преобразования косинусное напряжение имеет прямую фазу, компаратор 14 вырабатывает сигнал, соответствующий уровню "лог.1", и в следующий разряд (α=90°) регистра 16 последовательного приближения через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 записывается нулевое значение, что однозначно соответствует первому квадранту преобразуемого угла, а если при сравнении косинусное напряжение имеет обратную фазу, компаратор 14 вырабатывает сигнал, соответствующий уровню "лог.0", и в разряд (α=90°) регистра 16 последовательного приближения через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 записывается единичное значение, что однозначно соответствует второму квадранту преобразуемого угла.

Если в старшем разряде (α=180°) регистра 16 последовательного приближения записано единичное значение, то по сигналу с инверсного выхода старшего разряда регистра 16 последовательного приближения, соответствующего уровню "лог.0", первый ключ 8 закрывается, а второй ключ 11 открывается по сигналу управления с выхода инвертора 10, соответствующего уровню "лог.1". В этом случае напряжение, пропорциональное U_cosαi, от синусно-косинусного датчика угла 1 через второй переключатель 7, инвертирующий усилитель 9, второй ключ 11 и второй блок 13 умножения подключается к неинвертирующему входу компаратора 14, на инвертирующий вход которого через первый блок 12 умножения подается нулевой потенциал. Если при сравнении во втором такте преобразования косинусное напряжение имеет обратную фазу, на выходе инвертирующего усилителя 9 - прямую фазу, компаратор 14 вырабатывает сигнал, соответствующий уровню "лог.1", и в разряд (α=90°) регистра 16 последовательного приближения через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 записывается единичное значение, что однозначно соответствует третьему квадранту преобразуемого угла, а если при сравнении косинусное напряжение имеет прямую фазу, на выходе инвертирующего усилителя 9 - обратную фазу, то компаратор 14 вырабатывает сигнал, соответствующий уровню "лог.0", и в разряд (α=90°) регистра 16 последовательного приближения через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 записывается нулевое значение, что однозначно соответствует четвертому квадранту преобразуемого угла.

Таким образом, значения двух старших разрядов (α=180°) и (α=90°) составляют код квадранта преобразуемого угла.

Последующее преобразование, начиная с третьего такта, выполняется путем поразрядного уравновешивания при последовательном переключении следующих разрядов регистра 16 последовательного приближения, начиная со старшего разряда.

В основу работы преобразователя положено использование приближенной зависимости

где U_sinαi и U_cosαi - напряжения с выходов синусно-косинусного датчика угла 1;

α_i - преобразуемый угол;

N₁ и N₂ - выходные коды блока 15 синусно-косинусного преобразования кода, причем N₁=cos N, a N₂=sin N,

где N - выходной код регистра 16 последовательного приближения.

Эта зависимость реализуется на участке, соответствующем квадранту преобразуемого угла. Коды N₁=cos N и N₂=sin N формируются блоком 15 синусно-косинусного преобразования кода, выполненного на основе постоянного запоминающего устройства.

Первый 12 и второй 13 блоки умножения осуществляют операцию умножения синусного U_sinαi и косинусного U_cosαi напряжений, приложенных к их аналоговым входам, на коды N₁=cos N и N₂=sin N соответственно, поступающие на их цифровые входы с выхода блока 15 синусно-косинусного преобразования кода.

В результате поразрядного сравнения на компараторе 14 напряжений, полученных на выходах первого 12 и второго 13 блоков умножения, в регистре 16 последовательного приближения формируется код, пропорциональный углу поворота вала синусно-косинусного датчика угла 1.

В первый момент времени, когда триггер 5 находится в состоянии "01", по окончании цикла преобразования регистр 16 последовательного приближения вырабатывает сигнал "конец кодирования", по которому через первый элемент И 18, полученный в результате преобразования в регистре 16 последовательного приближения код, переписывается в первый регистр 20, причем его значение будет определяться выражением

где α - истинное значение угла с выхода синусно-косинусного датчика угла 1;

ΔN - погрешность, полученная в результате преобразования заданного значения угла.

Во второй момент времени, когда триггер 5 находится в состоянии "10", по окончании цикла преобразования регистр 16 последовательного приближения вырабатывает сигнал "конец кодирования", по которому через второй элемент И 19, полученный в результате преобразования в регистре 16 последовательного приближения, код, через второй И 19 переписывается во второй регистр 21, причем его значение будет определяться выражением

Значения кодов N’ и N’’, полученные в первом и втором циклах преобразования, поступают на первый и второй входы сумматора 22, на выходе которого в результате суммирования кодов получаем

Полученное на сумматоре 22 значение кода (90°±2 ΔN) поступает на один из входов блока 23 вычитания, на другой вход которого поступает значение эталонного кода (α_эт.=90°) с выхода блока 24 формирования эталонного кода. В результате вычитания на выходе блока 24 вычитания получаем выражение

Блок 25 деления на два делит значение кода, полученного на выходе блока 23 вычитания на два, в результате чего получаем

Полученное в результате деления на два значение кода или, другими словами, вычисленная в результате преобразования погрешность (±ΔN) с выхода блока 25 деления на два поступает на одни из входов арифметического устройства 26, на другие входы которого поступает значение кода N’ с выхода первого регистра, полученное после первого цикла преобразования. В зависимости от сигнала управления с выхода блока 22 вычитания арифметическое устройство 26 осуществляет операцию сложения/вычитания полученной погрешности ΔN со значением кода N’, полученного после первого цикла преобразования. В результате получаем

что соответствует истинному (без погрешности) значению кода преобразуемого угла.

Пример №1:

α_зад.=20° 20°’

ΔN=0° 18’

N’=20° 20’+0° 18’=20° 38’

NΣ=20° 38’+69° 58’=90° 58’

NΣ=20° 38’+69° 58’=90° 36’

N_{разности}=90° 36’-90°=0° 36’(упр. “лог.0” - режим вычитания)

N_{деления}=0° 36’/2=0° 18’

N_1*=20° 38’-0° 18’=20° 20’

Пример №2:

α_зад.=20° 20°’

ΔN=-0° 18’

N’=20° 20’-0° 18’=20° 02’

N^”=90°-20° 20’-0° 18’=69° 22’

NΣ=20° 02’+69° 22’=89° 24’

N_{разности}=89° 24’-90°=-0° 36’(упр. “лог.1” - режим сложения)

N_{деления}=0° 36’/2=0° 18’

N_2*=20° 02’+0° 18’=20° 20’

Таким образом, введение в процесс преобразования двух циклов преобразования одного и того же углового параметра вращения вала синусно-косинусного датчика угла при перекоммутации на его выходах синусно-косинусных напряжений и поочередным проведением двух циклов преобразования с последующим вычислением погрешности преобразования и арифметического извлечения ее из первоначально значения кода, полученного после первого цикла преобразования, позволяет в значительной степени повысить точностные характеристики преобразователя в целом.

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в автоматике и информационно-измерительной технике. Техническим результатом является повышение точности преобразования. Устройство содержит синусно-косинусный датчик угла, источник опорного напряжения, блок формирования пачки импульсов, пороговый элемент, триггер, переключатели, ключи, инвертирующий усилитель, инвертор, блоки умножения, компаратор, блок синусно-косинусного преобразования кода, регистр последовательного приближения, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элементы И, регистры, сумматор, блок вычитания, блок формирования эталонного кода, блок деления на два, арифметическое устройство. 1 ил.

Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный датчик угла, вход которого соединен с источником опорного напряжения, первый и второй блоки умножения, выходы которых подключены ко входам компаратора, выход которого подключен к одному из входов элемента “ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ”, выход которого подключен к одному из входов регистра последовательного приближения, вход блока формирования пачки импульсов соединен с источником опорного напряжения, а выход подключен к другому входу регистра последовательного приближения, один выход которого подключен к другому входу элемента “ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ” и к управляющему входу первого ключа непосредственно и через инвертор - к управляющему входу второго ключа, вход которого подключен к выходу инвертирующего усилителя, выходы первого и второго ключей объединены и подключены к аналоговому входу второго блока умножения, выходы разрядов регистра последовательного приближения подключены ко входам блока синусно-косинусного преобразования кода, первый и второй выходы которого подключены к цифровым входам первого и второго блоков умножения соответственно, отличающийся тем, что в него введены пороговый элемент, триггер, первый и второй переключатели, первый и второй элементы И, первый и второй регистры, сумматор, блок формирования эталонного кода, блок вычитания, блок деления на два и арифметическое устройство, причем вход порогового элемента подключен к источнику опорного напряжения, а выход подключен к счетному входу триггера, прямой выход которого подключен к управляющим входам первого и второго переключателей и к одному из входов первого элемента И, а инверсный выход - к одному из входов второго элемента И, первый вход первого переключателя соединен со вторым входом второго переключателя и подключен к первому выходу синусно-косинусного датчика угла, второй вход первого переключателя соединен с первым входом второго переключателя и подключен ко второму выходу синусно-косинусного датчика угла, выход первого переключателя подключен к аналоговому входу первого блока умножения, а выход второго переключателя подключен ко входу первого ключа и ко входу инвертирующего усилителя, другой выход регистра последовательного приближения подключен к другим входам первого и второго элементов И, выход первого из которых подключен ко входу записи первого регистра, а выход второго - ко входу записи второго регистра, информационные входы первого и второго регистров объединены и подключены к выходам разрядов регистра последовательного приближения, выходы первого регистра подключены к первым информационным входам арифметического устройства и сумматора, вторые информационные входы которого подключены к выходам второго регистра, а выходы подключены к первым информационным входам блока вычитания, вторые информационные входы которого подключены к выходам блока формирования эталонного кода, а выходы через блок деления на два подключены ко вторым информационным входам арифметического устройства, управляющий вход которого подключен к управляющему выходу блока вычитания, а выходы являются выходами преобразователя.